10 kV配網(wǎng)綜合防雷技術(shù)研究

閆永梅，王科，沈韜

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.昆明理工大學，昆明 650093)

10 kV配網(wǎng)綜合防雷技術(shù)研究

閆永梅1，王科1，沈韜2

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.昆明理工大學，昆明 650093)

感應(yīng)雷引起的跳閘事故已經(jīng)成為危害10 kV配電網(wǎng)輸電線路的主要原因。本文通過搭建配電網(wǎng)感應(yīng)雷數(shù)字仿真模型，仿真并分析了雷電流幅值、桿塔高度等對感應(yīng)雷過電壓大小的影響。并結(jié)合不同防雷措施的優(yōu)缺點，提出10 kV配網(wǎng)綜合防雷方法。

配電網(wǎng)；防雷措施；仿真分析

0 前言

隨著人類社會的進步，社會與電力的聯(lián)系更加緊密，人們對供電的可靠性要求越來越高，電力電氣設(shè)備的可靠性逐步增加，電網(wǎng)運行過程中的操作失誤也呈減少的趨勢，因此由雷擊引起的電網(wǎng)故障次數(shù)和危害性超過操作過電壓，成為影響電網(wǎng)安全可靠運行的主要原因之一。在自然條件惡劣的地區(qū)，受雷電活動的強烈的地形等影響因素，雷擊輸電線路引起的事故率更高。由于架空線路是直接暴露于環(huán)境中，其所經(jīng)地形也復雜多樣，加之輸電線路一般距離較遠，因此極易受到外界的影響和損害。雷電直擊架空線路或者雷擊桿塔和架空線附近大地時，都會在輸電線中產(chǎn)生很高的過電壓，從而引起線路開關(guān)跳閘，更有甚者，過電壓將導致線路電氣設(shè)備原件的損壞，致使供電中斷甚至系統(tǒng)瓦解等惡性停電事故。

對于高壓輸電線路，尤其是110 kV及以上的高壓架空輸電線路，由于線路絕緣水平相對較高，雷擊線路附近時產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓對線路正常運行的影響并不大；對于中低壓輸電線路，尤其是10 kV配電網(wǎng)線路，由于絕緣水平較低，受雷電感應(yīng)過電壓的影響較大。雷擊事故嚴重影響了供電可靠性，而由感應(yīng)雷引起的跳閘事故的已經(jīng)成為危害10 kV配電網(wǎng)輸電線路的主要原因 [1-6]。因此，研究10 kV架空配電線路的感應(yīng)雷過電壓及過電壓防護，對電網(wǎng)安全運行和供電可靠性具有十分重要的意義。

本文結(jié)合云南10 kV配電網(wǎng)實際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，搭建配電網(wǎng)感應(yīng)雷數(shù)字仿真模型。針對特定的電網(wǎng)與線路結(jié)構(gòu)，仿真并分析了雷電流幅值、桿塔高度、落雷點與線路距離對感應(yīng)雷過電壓大小的影響。研究分析防止絕緣導線雷擊斷線、配變雷擊損壞的綜合防雷方案，降低線路雷擊跳閘率。

1 配網(wǎng)線路雷電過電壓類型

根據(jù)過電壓行程的物理過程，雷閃放電引起線路雷電過電壓主要有以下幾種類型：

1)感應(yīng)雷過電壓

當雷擊輸電線路旁大地及輸電線桿塔時，在線路導線上感應(yīng)出過電壓，感應(yīng)過電壓大小一般情況下為300～500 kV，如圖1(4)。所以對35kV及以下線路絕緣有一定威脅。

圖1 引起雷電過電壓的幾種雷擊類型

2)雷電直擊導線過電壓

當雷直接擊于無避雷線線路的導線或繞過避雷線而擊于導線引起導線出現(xiàn)較高的過電壓，使絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，導線對地短路，如圖1(3)。無避雷線線路這種情況容易發(fā)生，而有避雷線線路也可能發(fā)生，繞擊的多少用繞擊率來表示。

3)雷直擊桿塔反擊過電壓

當雷擊于線路桿塔及桿塔旁1/4檔距的避雷線，較大的雷電流經(jīng)桿塔電感和接地電阻入地，如圖1(1)，使塔頂電位升高，這樣與導線之間形成一定的電位差，當桿塔和導線的電位差超過絕緣子串50%放電電壓時，就會使線路絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，導致導線對地短路。

4)雷擊檔距中避雷線過電壓

雷擊有避雷線的線路的檔距中避雷線時，如圖1(2)，會產(chǎn)生很大的雷擊電流使避雷線電壓升高，但由于避雷線半徑較小，檔距較大，雷電流在沿桿塔傳播時會產(chǎn)生很強的沖擊電暈，幅值衰減很快，一般不會導致絕緣子閃絡(luò)。按規(guī)程規(guī)定確定的避雷線和導線的空氣間也極少發(fā)生閃絡(luò)。工程中一般不考慮這種過電壓。

2 感應(yīng)雷過電壓的計算及仿真

架空配電線路感應(yīng)雷過電壓的計算分為兩個步驟：首先，通過雷電回擊的數(shù)學模型計算出雷電通道周圍電磁場；然后，建立雷電通道周圍電磁場與架空線路禍合的數(shù)學模型，計算架空配電線路感應(yīng)雷過電壓。目前，我國配電網(wǎng)大多采用由架空線和電纜線 (大多用于城市供電系統(tǒng)中)構(gòu)成的輻射狀結(jié)構(gòu)。隨著城市配電網(wǎng)的改造、建設(shè)，電纜線使用量大大增加，在考慮配網(wǎng)線路受感應(yīng)雷過電壓影響的時候，也需要考慮因電纜、架空絕緣線和裸導線在結(jié)構(gòu)上的不同，使感應(yīng)雷在三類線路上產(chǎn)生的過電壓也存在不一樣。圖2所示為仿真模型示意圖。

圖2 輻射狀中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

圖2中，假設(shè)該電網(wǎng)中的G為無限大電源；T為主變壓器，變比為110 kV/10 kV，聯(lián)結(jié)組別為YN/d11；TZ是Z形變壓器；L為消弧線圈；R為消弧線圈的阻尼電阻。線路采用架空裸線路、架空絕緣線、電纜三種線路組成。在圖1所示的仿真網(wǎng)絡(luò)中，架空裸導線型號選用的是LGJ-120，絕緣架空線為JKLGJ-120，電力電纜型號選用的是YJLV22-3×120。本文通過仿真計算分析各參數(shù)對架空配電線路觀測點處感應(yīng)雷過電壓幅值和波形的影響。仿真過程中，雷電流模型選擇Heidler模型，雷電流波頭時間為1.2 μs，雷電流波長時間為50 μs，雷電回擊速度為1.5×108 m/s。結(jié)合仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下影響規(guī)律

2.1 雷電流幅值的影響

隨著雷電流幅值的增加，線路上感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓幅值也會相應(yīng)增加，且雷電流幅值大小與感應(yīng)雷過電壓的幅值大小成接近于線性的關(guān)系。感應(yīng)雷過電壓上升沿部分的電壓爬升速度較快，引起的電壓沖擊最為明顯，對線路絕緣的危害最大。

2.2 落雷點與架空線路水平距離的影響

雷擊點距離線路越近，架空配電線路觀測點處感應(yīng)雷過電壓幅值越大，感應(yīng)雷過電壓爬升速度越快，在過電壓峰值過后，感應(yīng)過電壓的下降速度也越快，架空配電線路觀測點處感應(yīng)雷過電壓的幅值隨雷擊點距離線路距離不斷增大衰減得越慢。

2.3 線路高度的影響

線路的對地高度會影響感應(yīng)雷在線路上引起的過電壓水平，架空配電線路觀測點處感應(yīng)雷過電壓的幅值隨線路高度的增大而增加，為防止感應(yīng)雷的危害，配電網(wǎng)中的桿塔高度不宜太高。

2.4 線路長度的影響

落雷點和線路之間垂點的雷電過電壓幅值與架空線路長度大小關(guān)系不大，電磁波在線路上的傳播與相互疊加并不影響感應(yīng)雷過電壓的幅值，對于500 m到3 000 m長度的架空輸電線路，其感應(yīng)雷電壓的最大幅值都約為70 kV。

2.5 架空地線對感應(yīng)雷過電壓的影響

架空線路的電磁屏蔽作用，會降低相導線上的感應(yīng)過電壓，其原理可作如下解釋：架空地線與大地相連接保持地電位，可以看做將一部 “大地”引入相導線的近區(qū)。對靜電感應(yīng)，其影響是增大了相導線的對地電容從而使導線對地電位降低，另外也可以認為接地的架空地線通過電容耦合抑制相導線上的電壓，相導線離架空地線越近，則耦合越好，感應(yīng)電壓越低。對于電磁感應(yīng)，其影響相當于在導線-大地回路附近增加了一個地線-大地的短路環(huán)，從而抵消了一部分導線上的電磁感應(yīng)電勢。這樣，架空地線總的保護效果是降低了導線上的感應(yīng)過電壓。

2.6 避雷器對感應(yīng)雷過電壓的影響

利用數(shù)值計算方法可以統(tǒng)計線路感應(yīng)過電壓。避雷器密度增加，感應(yīng)過電壓降低。全線安裝避雷器后感應(yīng)過電壓可以降低60%，是無避雷器保護線路的40%。但是若每隔一個桿塔安裝一組避雷器，離雷擊點最近的桿塔上沒有安裝避雷器，過電壓水平會升高很多，接近全線無避雷器保護線路的水平。安裝避雷器后，雷擊閃絡(luò)發(fā)生在沒有安裝避雷器的桿塔處。

3 10 kV配電網(wǎng)綜合防雷方案

3.1 加裝線路避雷器

在易擊段桿塔上安裝線路避雷器可以有效的提高線路防雷性能，線路避雷器的選擇性安裝應(yīng)該予以相當?shù)闹匾?，但是線路避雷器保護范圍較小，只能有效保護1個基桿塔，只有所有桿塔都安裝，其保護效果才能得到體現(xiàn)，且需確保避雷器的接地裝置良好、接地電阻合格。由于其昂貴的價格的限制，要結(jié)合桿塔周圍的地形、氣候、事物等因素進行綜合考慮，將避雷器安裝在最需要的桿塔上。

3.2 安裝防雷金具

該保護裝置直接安裝在絕緣子上端，上部金屬電極中有一個帶穿刺的電極，它可穿透絕緣導線的絕緣層，實現(xiàn)與內(nèi)部的導體緊密電接觸；在雷電過電壓的作用下，該保護裝置直接通過與導體緊密接觸的穿刺刀片，將雷電過電壓引至該保護裝置的外部金屬電極，使雷電過電壓直接加在該保護裝置的外部金屬電極和絕緣子底部金屬電極之間，從而造成雷電過電壓沿著絕緣子表面擊穿。此后，工頻續(xù)流電弧將沿著該保護裝置的金屬電極表面漂忽移動燃燒，而不會再像架空絕緣導線那樣總是固定在某一點燒灼。這樣，實際上該保護裝置就是在絕緣子處，將絕緣導線變成了類似的裸露導線結(jié)構(gòu)，它不易被燒壞，從而保護了架空絕緣導線在雷擊過程中不會斷線。

3.3 安裝可調(diào)式保護間隙

針對電纜和絕緣架空線，可以采用可調(diào)式保護間隙進行保護，減少電纜和絕緣架空線的外層絕緣受到的過電壓沖擊?？烧{(diào)式保護間隙的工作原理為：在絕緣子串旁邊并聯(lián)一對金屬電極，構(gòu)成保護間隙，間隙距離小于絕緣子串的串長。正常運行時，并聯(lián)間隙具有均勻工頻電場的作用。架空線路遭受雷擊時，在絕緣子串上產(chǎn)生較高的雷電沖擊過電壓，由于并聯(lián)間隙的雷電放電電壓低于絕緣子串的放電電壓，間隙先放電，連續(xù)的工頻電弧在電動力和熱應(yīng)力作用下離開絕緣子串在間隙電極之間燃燒并向外發(fā)展，保護絕緣子串免于損壞，進而防止了雷擊斷線。

3.4 采用絕緣塔頭和橫擔

對同桿雙回或同桿多回配電線路，可采用絕緣子與絕緣橫擔組合的配置方式；對三角排列的單回配電線路，可采用絕緣桿頭、絕緣橫擔、絕緣子組合的配置方式，桿塔上部整體形成一個絕緣塔頭，提高10 kV配電線路的絕緣水平和供電可靠性。絕緣塔頭、橫擔具備良好的電氣絕緣性能，具有放電電壓高、 泄漏電流小，抗老化能力強、適應(yīng)長期戶外運行環(huán)境以及便于安裝等特點。能夠大幅提高配電線路的絕緣水平，使雷電放電的空氣間距增大。通過采用絕緣塔頭或絕緣子和絕緣橫擔的組合絕緣，使放電路徑增大3-4倍，絕緣水平提高至110 kV線路水平，在感應(yīng)過電壓下一般不會發(fā)生閃絡(luò)。

3.5 加裝耦合地線或桿塔拉線

對于降低桿塔接地電阻有困難，以及雖已部分安裝避雷線但仍易受雷害侵襲的線路，也可采用加裝耦合地線或桿塔拉線的方法。其原理是通過增加避雷線和導線之間的耦合作用，從而降低絕緣子串上的電壓，對雷電流進行有效分流，使桿塔波阻抗減小。由于加裝耦合地線成本較高，且耦合地線并不能完全防止絕緣子串受雷擊閃絡(luò)，故無法大范圍推廣使用。

4 結(jié)束語

本文對配網(wǎng)防雷措施現(xiàn)狀進行統(tǒng)計與分析，通過搭建配電網(wǎng)感應(yīng)雷數(shù)字仿真模型，針對特定的電網(wǎng)與線路結(jié)構(gòu)，對配電變壓器、架空裸導線、絕緣架空線、電纜等進行了數(shù)字建模，仿真并分析了雷電流幅值、桿塔高度、落雷點與線路距離對感應(yīng)雷過電壓大小的影響。收集并總結(jié)了國內(nèi)外的主要防雷手段，列舉了架空地線、線路避雷器、防弧金具等一系列配電網(wǎng)防雷設(shè)施與手段，并分析與比較了其優(yōu)缺點。為今后在云南山區(qū)的特殊地理環(huán)境，綜合采用多種防雷措施，切實提高配網(wǎng)防雷水平降低雷擊跳閘率，提供了借鑒和參考。

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Study on Lightning Protection Techniques for 10 kV Distribution Network

YAN Yongmei1，WANG Ke1，SHEN Tao2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.Yunnan，650217，China；2.Kunming University of Science and Technology，Yunnan 650093，China)

Tripping caused by the induced lightning has been become the main hazard to the 10 kV power distribution network.In this study，we establish a simulation model for the induced lightning of distribution network and analyze the influence of the amplitude of lightning current，height of the tower，etc.By comparing the advantage and disadvantage of different protection techniques，we proposed a comprehensive lightning protection method for 10 kV distribution network.

distribution network；lightning protection techniques；simulation analysis

TM85

B

1006-7345(2015)06-0103-03

2015-09-13